基于大變形機理的采動煤巖巷道穩(wěn)定性分析

尚劍飛

摘要：針對動壓巷道圍巖變形大、難支護的特點，基于實際監(jiān)測資料，提出動壓巷道的大變形問題，從應力狀態(tài)、流變特性和能量特征幾方面對煤巖的大變形機理進行了分析。利用數(shù)值模擬分析方法對采用支護方案的圍巖變形和穩(wěn)定控制進行了分析研究，分析結(jié)果驗證了經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的支護方案應用于采動煤巖巷道是有效可行的。

關(guān)鍵詞：動壓巷道;大變形;穩(wěn)定性;數(shù)值模擬

礦山開采過程中，通常會為工作面的開采、礦料的運輸?shù)榷蜻M一系列準備巷道，工作面回采動壓對這些回采準備巷道的穩(wěn)定性和可靠性影響尤為突出。據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料可知，采準動壓煤巖巷道的變形己屬于大變形范疇，深入分析其圍巖大變形特性對指導動壓巷道支護和保證安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實意義。

一、大變形問題的提出

巷道掘進過程中，在相鄰運順巷道的回采過程的動壓影響下，3125軌順圍巖和支護構(gòu)件的變形劇烈，支護錨桿的監(jiān)測位移結(jié)果較大，片幫、冒頂現(xiàn)象嚴重，直接導致安全生產(chǎn)受阻。鑒于上述問題，對3125軌順進行了位移監(jiān)測，進而對支護設(shè)計方案改進，以期取得動壓巷道的優(yōu)化支護設(shè)計方案，保證后續(xù)掘進開采工作順利開展。

二、現(xiàn)場位移監(jiān)測成果

選取第一組測站的監(jiān)測成果進行分析。

第一組測站錨桿位移變化曲線如圖1所示，隨著工作面的推進，巷道錨桿的位移呈現(xiàn)增加趨勢。工作面推過測站斷面20m之前，頂板和兩幫的錨桿位移變

形量增加緩慢;工作面推過測站斷面20m之后，錨桿位移迅速增加，工作面距測站56m左右時，頂板監(jiān)測站錨桿向下的最大位移約為450mm，巷道的實幫和空幫的相對位移總和約為700mm。

三、動壓煤巖巷道大變形機理

動壓煤巖巷道與上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件不同：采動煤巖巷道的圍巖即使出現(xiàn)變形較大的情況，甚至圍巖裂隙發(fā)育嚴重或者破壞，但并不一定表明巖體的承載能力失去效力[1]。所以說的大變形的破壞機理是達到“失穩(wěn)”才會破壞，不能單純以變形大小來判斷是否破壞;而評判小變形破壞機理的指標通常為強度、剛度或者變形，但不一定是“失穩(wěn)”破壞。所以采準動壓煤巖巷道工程穩(wěn)定性的核心問題是研究通過讓壓允許其圍巖變形甚至破壞但限制其失穩(wěn)的控制方法。

（一）回采動壓作用下的應力狀態(tài)改變

采準動壓煤巖巷道變形的主要引起因素是回采動壓，巷道掘進之前，圍巖未受到施工擾動，巖體處于原始的三向應力平衡狀態(tài)。巷道掘進之后，圍巖原始應力平衡狀態(tài)改變，巷道徑向應力即最小主應力降低，圍巖的應力平衡狀態(tài)隨著最小主應力的降低逐漸向二向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變。此時，最大主應力會在巷道巖壁附近出現(xiàn)局部切應力集中現(xiàn)象，隨著距巖壁距離的增加，受施工擾動的影響越來越小，巖壁深處的巖體應力狀態(tài)則接近于原巖的應力平衡狀態(tài)。

受采動影響的巷道具有其特殊性，對于沿著采空區(qū)的巷道，除受到自身掘進巷到動壓影響之外，還受到影響范圍內(nèi)的工作面回采造成的周圍巖體運動變形和圍巖支承壓力重分布變化的影響，從而導致巷道圍巖的應力平衡狀態(tài)不止一次的再破壞和重新分布。

（二）采準煤巖巷道的流變性

煤巖是一種流變材料，具有流變特性。煤巖巷道在動壓影響下的大變形中包括瞬時變形和長久變形，其中長久變形主要由圍巖的流變性決定。在巷道采掘結(jié)束后，由于應力狀態(tài)發(fā)生了改變，圍巖的流變變形機制發(fā)揮作用。當圍巖的流變變形達到一定程度時，將會導致巷道圍巖的屈服破壞曰。

（三）動莊煤宕巷道變形的能量特征

在巖體變形破壞的每個階段都對應著不同的能量轉(zhuǎn)化過程，開始階段能量以存儲為主，外力對巖體所做的功轉(zhuǎn)化為巖體內(nèi)部的彈性應變能，此階段巖體發(fā)生的變形為線彈性。巖體繼續(xù)變形至發(fā)生塑性變形以后，能量耗散逐漸增加。據(jù)熱力學理論，巖體損傷變形的本質(zhì)是能量的耗散，能量耗散的過程就是巖體逐漸損傷、內(nèi)部微裂隙發(fā)展、強度不斷衰減的過程。峰值強度之后，大量裂隙產(chǎn)生、發(fā)展、貫通，彈性應變能釋放，轉(zhuǎn)化為表面能、巖石塊體飛出的動能以及塑性勢能等，造成巖石變形、破碎甚至拋射。此即采礦巷道圍巖變形和沖擊礦壓發(fā)生的近似過程。

四、巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬

（一）數(shù)值模型的建立

數(shù)值模型范圍為長×寬×高=50m×251.7m×79.83m，采深為180m，開采煤層厚度為6.13m，頂部巖層為粉砂巖，厚度為5.45m，內(nèi)部巖層為細砂巖，厚度為12.60m;底部巖層為粉砂巖，厚度為4.47m。

由于本工程的埋深較淺，特別是受到地殼淺部的構(gòu)造應力以水平應力為主的作用和影響，側(cè)壓力系數(shù)比較分散，其取值范圍為0.5-5.5，經(jīng)過多次試算得出，在側(cè)壓力系數(shù)取4.5時，巷道圍巖的變形規(guī)律和實際監(jiān)測的結(jié)果最為接近，故本例中側(cè)壓力系數(shù)取為4.5。計算中模型頂部以上巖層的作用以均布壓力的形式來模擬作用在模型的上邊界。

（二）巷道支護設(shè)計方案模擬

經(jīng)分析本工程采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方案，巷道斷面形狀為矩形，錨桿、錨索的布置方案和角度如圖2所示，按此支護措施進行圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬。

（三）圍巖變形分析

圍巖位移變化曲線如圖3所示，圍巖觀測點的位移值隨著工作面的推進一直呈增加趨勢，并沒有出現(xiàn)明顯的波動現(xiàn)象。當推過測站3.0m時，巷道圍巖位移的快速增加，幫部測點位移較頂板測點增加的快。工作面推至超過測站29.0m時，幫中部和幫中下部的相對變形達到最大值55mm;頂板最大變形36mm，出現(xiàn)在頂板靠近空幫處。

基于上述分析，采用了錨網(wǎng)+錨索梁的聯(lián)合支護，巷道圍巖幫部和頂板的變形可以達到正常使用的要求?？梢姡瑢嵤╆P(guān)鍵部位耦合支護，采取柔性讓壓與剛性支護聯(lián)合支護方案是控制圍巖變形和穩(wěn)定的有效措施。

參考文獻：

[1]何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學[M].北京：科學出版社，2002.

[2]劉鋒珍.深部高應力巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究[D].青島：山東科技大學，2005.